Förbehandling av nanopartiklar ger ökad kontroll vid dispersionsplätering av nanokompositer

Nyligen försvarade Santiago Pinate sin doktorsavhandling med den engelska titeln Control of particles codeposition and strengthening mechanisms in nickel based nanocomposite coatings vid Tekniska högskolan i Jönköping (JTH). Denna artikel presenterar några av resultaten från avhandlingen.

Ett av flera kostnadseffektiva alternativ till att öka nötningsresistansen på komponenter är att plätera en kompositbeläggning. Inkorporering av mikropartiklar är en välkänd teknik, medan användning av nanopartiklar än så länge inte är industriellt utbrett trots lovande egenskaper och möjligheten att applicera tunnare skikt.

Den största utmaningen med dispersionsplätering av beläggningar med nanopartiklar är bristen på reproducerbarhet, vilket har hindrat överföringen från laboratorieskala till industri. Forskningen som presenterades i avhandlingen visar ett möjligt sätt på hur kontroll kan uppnås genom förbehandling av partiklar. Detta gör det möjligt att använda nanopartiklar från olika leverantörer med liknande resultat, vilket ger reproducerbarhet och förhoppningar om framtida uppskalning.

Nanopartiklarnas stora yta kan medföra föroreningar till pläteringsprocessen som härrör från tillverkningen av partiklarna. Skillnader mellan partiklar kräver justeringar i produktionsprocessen vilket ytterligare ökar processens komplexitet. Detta gör det nödvändigt med individuella analyser av varje partikelleverans eftersom de kan variera beroende på leverantörernas produktionsmetod eller till och med mellan batcher. De test som används för att undersöka partiklar kräver avancerade karaktäriseringstekniker. Optimering av processen blir därför dyr och en nästan intill omöjlig uppgift i en industriell produktion.

Studien av Ni-SiC-nanokompositer som beskrivs i avhandlingen föreslår en möjlig lösning på att uppnå reproducerbarhet. Genom förbehandling av partiklarna blir de kemiskt sett mycket mer lika varandra oavsett storlek och leverantör. Avhandlingen föreslår också att använda titrering som en enkel och billig teknik för att karakterisera partiklar i suspension.

Den föreslagna förbehandlingen är baserad på etsning i utspädd salpetersyra för att uppnå likadana ytor på de olika partiklarna oberoende av leverantör, produktionsmetod eller batch. Således ▶

förbättras processens reproducerbarhet. Samtidigt möjliggör titrering att man kan karakterisera SiC-partiklarna medan de är i suspension utan behov av avancerade karakteriseringstekniker. Även om titrering inte ger detaljerad information om partiklarnas ytegenskaper är det möjligt att göra jämförande mätningar mellan batcher eller leverantörer.

Figur 1 visar titreringskurvorna för suspensioner av nanopartiklar från två leverantörer (SiC50 och SiC60) jämfört med vatten (svartfärgad kurva). Efter tillsättning av partiklar justeras pH till 3 för att ha samma utgångspunkt inför titreringen. Vid titrering av suspensionerna fördröjs pH-ändringen. Partiklarna har alltså buffertegenskaper. Utan förbehandling observeras en tydlig skillnad i partiklarnas buffertegenskaper som elimineras av förbehandlingen.

Ni-SiC-kompositbeläggningar blev elektropläterade i en tillsatsfri Watts-elektrolyt för att undersöka effekten av förbehandling av partiklar. Figur 2a visar partikelhalten i beläggningarna, vilket också illustrerar den vanliga bristen på kontroll vid plätering av nanokompositer. Man får olika partikelhalter som härrör från användning av partiklar från olika leverantörer, även om de har en liknande nominell storlek. Vid användning av förbehandlade partiklar uppnås samma partikelhalt oberoende av leverantör. Vid första anblicken kan denna minskning av partikelhalten väcka oro, men målet med förbehandlingen är att få kontroll över processen genom att skapa likadana ytor på partiklarna oberoende av leverantör.

Partiklarna påverkar också Ni-matrisens mikrostruktur, vilket resulterar i samma resulterande kornstorlekar (figur 2b) när partiklarna har förbehandlats. Dessutom, tack vare det liknande partikelvolyminnehållet och matrismikrostrukturen, visade kompositerna också jämförbara mikrohårdhetsvärden (figur 2c), vilket illustrerar fördelarna med förbehandlingen eftersom kompositer med liknande egenskaper producerades från olika partikelleverantörer.

Användningen av förbehandling för att garantera reproducerbarhet är intressant både i laboratorieskala och i industriell skala på grund av flexibiliteten. I denna studie valdes förbehandlingen baserad på salpetersyra. I framtiden kan dock förbehandlingen optimeras beroende på önskvärd slutlig yta. Ännu viktigare är att förbehandlingen kan justeras för att ge partiklar en gemensam yta oberoende av leverantören, så framtida förändringar i försörjningskedjan inte stör pläteringsprocessen.

Figur 1. Titreringskurvor för SiC-partiklar från två leverantörer med och utan förbehandling. Santiago Pinate i samband med disputationen.

TEXT: SANTIAGO PINATE